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증기압 [蒸氣壓, vapor pressure]

액체 내부의 분자들은 일정한 에너지를 가지고 운동하고 있으며, 분자간에는 인력이 작용하고 있다. 일반적으로 액체 표면에 위치하는 분자들은 액체 내부에 있는 분자들에 비해서 분자간 인력이 약하다. 일부 더 높은 에너지를 가지고 운동하는 분자들의 경우에는 액체로부터 떨어져 나와서 기체 상태가 되기도 하는데, 이러한 과정을 증발(vaporization)이라고 한다.

   

증발 [蒸發, vaporization]

증발(蒸發)은 액체 표면의 원자나 분자가 끓는점 미만에서 기화하는 현상으로 액체의 표면에서 일어나는 기화현상을 증발(vaporization)이라고 한다. 다시 표현하면 액체 표면의 분자 중에서 분자 간의 인력을 극복할 수 있을 만큼 에너지가 높은 입자들이 분자간의 인력을 끊고 기체상으로 튀어나와 기화되는 것을 증발이라고 한다. 또한, 액체 내부로부터 기포가 발생하면서 생기는 기화 현상인 '끓음'은 끓는점에서 일어나기 시작하지만 증발은 끓는점보다 낮은 온도에서도 일어난다. 이 때 증발되고 남은 액체는 증발열의 방출로 열을 빼앗겨 평균 운동 에너지가 낮아져 온도가 내려간다. 따라서 외부에서 증발 과정에서 잃어버린 만큼의 열량이 보충되어야만 증발이 계속 일어날 수 있다. 증발이 일어날 때 주변이 시원해지는 것은 증발 과정에서 열의 흡수가 일어나기 때문이며 이때 흡수되는 열은 숨은열(latent heat)이며 이 열을 증발열(heat of vaporization)이라 한다.

   

증기압(vapor pressure)

증기압(vapor pressure)는 액체 또는 고체에서 증발하는 압력으로, 증기가 고체나 액체와 동적 평형 상태에 있을 때의 포화증기압을 말한다. 즉, 증기가 고체 또는 액체와 평형상태에 있을 때의 포화증기압을 말한다. 다른 표현으로는 증발속도와 응축속도가 같아 동적 평형을 이루고 있을 때 외부의 증기가 갖는 압력을 증기압(vapor pressure)라고 한다.

다시 설명하면 액체 분자들의 분자간에는 인력이 작용하고 있으나 액체의 분자들은 일정한 에너지를 가지고 운동하고 있으므로 액체 내부의 분자들에 비해 분자간 인력이 약한 표면에 있는 분자들의 일부가 기체상태로 된다. 이렇게 증발된 기체 중 일부가 에너지를 잃고 다시 액체상태로 되는 응축(condensation)이 일어난다. 이와 같이 증발이 일어나면 일부 액체 분자들은 기체상태가 되고 기체상태가 된 기체분자 중 일부는 다시 액체상태로 되돌아 가는 과정이 반복된다. 계속 증발이 일어나게 되면 기체상태로 존재하는 분자들의 수가 증가하게 되고 이로 인하여 기체상태의 분자들이 액체로 응축(condensation)되는 속도도 증가하게 되어 충분한 시간이 지난 후에는 증발속도와 응축속도가 같아지게 된다. 이러한 상태가 되면 겉으로 보기에는 아무런 변화가 없는 것처럼 보이지만, 이는 증발하는 분자 수와 응축하는 분자 수가 같기 때문에 나타나는 현상으로 실제로는 증발과 응축이 계속 일어나고 있는 상태이다. 이 상태를 동적 평형 상태(dynamic equilibrium state)라고 하며 이 상태의 증기압력을 증기압(vapor pressure) 이라고 한다.

같은 물질이라도 온도가 높아지면 증기압이 높아진다. 증기압은 다른 표현으로는 증기장력(蒸氣張力)이라고도 한다. 증기압은 어떠한 액체의 증발속도와 관련이 있기 때문에, 실온 상태에서 증기압이 매우 높은 액체상태의 물질은 휘발성을 갖는 물질이라고 표현되기도 한다. 예를 들면 액체 표면에서는 끊임없이 기체가 증발하는데, 밀폐된 용기의 경우 어느 한도에 이르면 증발이 일어나지 않고, 안에 있는 용액은 그 이상 줄어들지 않는다. 그 이유는 같은 시간 동안 증발하는 분자의 수와 액체 속으로 들어오는 기체분자의 수가 같아져서 증발도 액화도 일어나지 않는 것처럼 보이는 동적 평형 상태가 되기 때문이다. 이 상태에 있을 때 기체를 그 액체의 포화증기, 그 압력을 증기압(포화증기압)이라 한다. 개방된 용기 속에 있는 액체가 증발을 계속하는 것은 액체와 접하는 물질이 포화증기압에 이르지 못하기 때문이다. 증기압은 같은 물질이라도 온도가 높아짐에 따라 더욱 커진다.

증발과 증기 압력은 분자간 인력과 온도라는 두 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 분자간의 인력이 강할수록 인력을 극복하기 어렵기 때문에 증발이 잘 일어나지 않지만, 온도가 높을수록 분자들의 평균 운동 에너지가 커져서 더 쉽게 분자들간의 인력을 극복할 수 있기 때문에 증발이 잘 일어난다. 증기 압력은 용기의 크기나 모양에 무관하고, 액체와 기체가 공존하는 한 같은 온도에서는 같은 증기 압력을 나타낸다.

에틸렌(C2H4, 28 g/mol), 디메틸에테르(CH3OCH3, 46 g/mol), 디에틸에테르(C2H5OC2H5, 74 g/mol), 디페닐에테르(C6H5OC6H5, 170 g/mol)는 극성이 작은 분자들이기 때문에 분산력이 주된 분자간 인력이다. 에틸렌, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 디페닐에테르로 갈수록 분자량이 증가하기 때문에 분자간 인력이 더 강해진다. 이로 인해 에틸렌에서 디페닐에테르로 갈수록 같은 증기압을 나타내기 위해서는 더 높은 온도가 필요하다. 물의 경우 분자량이 18 g/mol 에 불과하지만 수소 결합을 하고 있기 때문에 분자간 강한 상호 작용을 하여, 물보다 분자량이 큰 에틸렌, 디메틸에테르, 디에틸에테르 보다도 증기 압력 곡선이 더 오른쪽에 위치해 있다. 이 물질들의 증기압은 다음의 그림으로 설명할 수 있다.

분자간의 인력 : C2H4 〈 CH3OCH3, 〈 C2H5OC2H5, 〈 H2O 〈 C6H5OC6H5,

증기압력 : C2H4 〉 CH3OCH3, 〉 C2H5OC2H5, 〉 H2O 〉 C6H5OC6H5

위의 그림에서 모든 물질들이 온도가 증가하면 증기 압력이 증가하는데, 이를 통해서 증기 압력의 온도 의존성을 확인할 수 있으며, 같은 온도에서는 분자간 인력이 강할수록 증기 압력이 낮으며, 같은 물질에서는 온도가 증가할수록 증기 압력이 증가한다는 것을 알 수 있다.

증기 압력을 측정하는 방법은 다음의 그림과 같이 하여 측정할 수 있다.

위의 그림 (나)와 같이 플라스크 내부를 진공 상태로 만들고 수은관의 양쪽 높이가 같도록 유지한다. 그 뒤 증기 압력을 측정할 액체를 주입하면 액체가 증발하면서 생겨난 증기의 압력으로 인해 수은 기둥이 밀려 올라가게 되는데, 액체와 기체가 상평형에 도달하게 되면 (다)와 같이 수은 기둥은 더 이상 올라가지 않게 된다. 이때 양쪽 수은 기둥의 높이 차이를 구하면 액체의 증기 압력을 알 수 있다.

   

동적 평형 상태

액체 또는 고체 상태의 물질 표면에서는 끊임없이 분자가 기체 상태로 증발하는데, 밀폐된 용기에서는 어느 한도에 이르면 증발이 일어나지 않고, 안에 있는 용액은 그 이상 줄어들지 않는 것처럼 보인다. 그 이유는 같은 시간 동안 증발하는 액체나 고체 분자의 수와 응축되는 기체분자의 수가 같아져서 증발도 응축도 일어나지 않는 것처럼 보이기 때문이며, 이 상태를 동적 평형 상태라 하고, 이 상태에 있을 때 기체를 그 액체의 포화증기, 그 기체의 압력을 증기압(포화증기압)이라 한다. 개방된 용기 속에 있는 액체가 증발을 계속하는 것은 액체와 접하는 물질이 포화증기압에 이르지 못하기 때문이다.

   

포화증기압

액체가 담긴 용기가 폐쇄공간에 있을 때는 갇힌 기체 분자수가 늘어날수록 액체 표면과 충돌해서 액체 상태로 되돌아가는 확률이 점점 높아지고 따라서 증발과 액화가 같은 속도로 일어나는 일정한 평형상태에 도달하게 된다. 이 평형 상태에서의 증기 압력을 포화증기압 또는 증기압(vapor pressure)이라 하며 이것은 액체가 증발되는 정도를 나타낸다. 증기압이 큰 물질은 잘 증발되며 증기압이 큰 물질을 일반적으로 휘발성 물질이라 한다. 20 ℃에서 휘발성이 약한 물의 포화증기압은 18 mmHg 이지만 휘발성이 큰 디에틸에테르와 같은 물질은 442 mmHg의 증기압을 나타내 큰 차이를 보인다.

   

액체 물질의 휘발성

일정 온도에서 대부분의 액체는 증발하여 증기가 나오는 과정과 증발한 기체가 다시 응축되어 액체가 되는 과정이 동시에 일어나고 있다. 닫힌 용기에서 증발속도와 응축속도가 같아지면 증기와 액체가 동적 평형을 이루었다고 하며 이때의 압력을 증기압 또는 포화증기압 이라고 한다. 즉, 증기압이 크다는 것은 액체의 표면에서 증발이 더 잘 일어남을 말하고 이때 '이 물질은 휘발성이 크다'고 한다. 예를 들어, 25 ℃에서 메탄올의 증기압은 122.7 Torr, 벤젠은 94.6 Torr, 에탄올은 58.9 Torr, 물은 23.8 Torr, 수은은 0.0017 Torr이다. 이 다섯 개의 휘발성을 비교하면 메탄올이 가장 크고 이어서 벤젠, 에탄올, 물, 수은의 순서이다. 액체들의 증기압이 다른 까닭은 분자 간의 힘이 다르기 때문이며, 일반적으로 극성이 없고 분자량이 작을수록 분자 간의 힘이 약하여 쉽게 증발하게 된다.

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

상(, phase)

물리학에서 상(, phase)은 일정한 물리적 성질을 가지는 균일한 물질계를 말한다. 물질의 상태 가운데 고체, 액체, 기체가 대표적이다. 그 밖에도 플라즈마, 액정, 초유체, 초고체, 자석 등도 물질의 상이다.

   

1. 상의 종류

상이란 기본적으로 고체, 액체, 기체와 같이 물질이 갖는 여러 가지 상태를 말한다. 이러한 상은 기본적으로 여러 가지 거시적 성질을 보면 구별할 수 있다. 예를 들어, 흐를 수 있는지에 따라 고체와 유체로 상을 구별할 수 있고, 유체도 용기에 담았을 때 날아가 버리는지, 고이는지에 따라 액체와 기체로 구별할 수 있다. 어떤 물질의 경우엔 고체, 액체, 기체와 같이 단순하게 몇 개의 상만 있는 것이 아니라 더 많은 여러 종류의 상을 갖기도 한다. 예를 들어 탄소의 경우, 잘 알려진 상으로 다이아몬드와 흑연이 있다. 두 결정은 모두 균일하고, 일정한 물리적 성질을 갖고, 같은 종류의 원자로 구성되어 있고, 고체의 성질을 갖지만, 결정구조가 다름으로 인해 다른 물리적 성질이 생기게 된다. 위의 상들은 기본적으로 온도와 압력의 변화를 통해 얻어지는 상들이지만, 다른 변화를 줌으로써 생기는 변화에 대해서도 여러 가지 상을 정의할 수 있다. 예를 들어, 외부에서 주는 자기장과 온도의 변화에 따라 초전도상태를 갖는 물질은 초전도상태와 보통 상태 두 가지로 나눌 수 있고, 강자성의 방향이 위쪽 또는 아래쪽이 되는 두 가지 상으로 구별할 수도 있다.

일반적으로, 이러한 상들의 경계는 거시적 물리량들이 불연속적으로 변화하는 구간을 통해 상의 경계를 정의할 수 있다.

 

 

위의 그림에서와 같이 물은 대기압 근처에서 얼음, 물, 수증기 세가지 상을 가진다.

   

다음의 그림은 물질의 상태를 구분하여 나타낸 것이다.

   

2. 상전이(相轉移, phase transition)

열역학 또는 통계물리에서 상전이(転移, phase transition) 또는 상 변화, 상 바뀜(相變化, phase

change)은 열역학적인 방법으로 한 상에서 다른 상으로 바뀌는 것을 뜻한다. 열역학적인 변수(온

도 등)를 바꾸어주면 상이 바뀌며, 이때 보통 어떤 물리적 성질(예를 들면 점성, 비열 등)이 급격하

게 바뀐다.

철은 고체, 물은 액체, 공기는 기체라고 하듯이 물질의 종류에 따라 각각의 상태가 정해져 있는 것이 아니라, 이들 상태는 온도 등의 조건에 따라 변화한다. 예를 들면, 물은 보통 액체이지만 이것을 가열하면 증발하여 수증기(기체)가 되고, 냉각시키면 얼어서 얼음(고체)이 된다. 이와 같이 물은 고체·액체·기체의 3가지 상태로 변화하는데, 이와 마찬가지로 다른 많은 물질도 3가지 상태로 변화한다. 철도 용광로에서 볼 수 있는 바와 같이 강하게 가열하면 액체가 된다. 그리고 조건에 따라서는 기체로도 된다. 또, 공기는 보통 기체이지만 압력을 가하고 냉각시키면 액체가 되고, 고체로도 된다. 이와 같이, 철이나 공기는 조건에 따라 고체·액체·기체의 어떤 상태로도 될 수 있다. 그러나 물질에 따라서는 3가지 상태로 변하지 않는 것도 있다. 예를 들면, 설탕은 가열하면 녹아서 액체가 되지만, 더욱 가열하면 증기로 되지 않고 분해하고 만다. 종이는 액체가 되는 일도 없이 분해하고 만다. 이와 같이, 물질 중에는 3가지 상태로 변하는 것과 변하지 않는 것이 있다. 또, 어떤 물질이든 고체로는 되지만 물질에 따라서는 액체나 기체가 되지 않는 것도 있다. 고체가 액체로 변하는 일을 '용융' 또는 '융해'라 하고, 액체가 기체로 변하는 것을 '증발' 또는 '기화'라고 한다. 반대로 기체가 액체로 변하는 것을 '응결' 또는 '액화'라 하고, 액체가 고체로 되는 것을 '응고'라고 한다. 물질의 고체·액체·기체 상태를 상(phase)이라 부르기도 한다. 얼음은 물의 고체상이고, 수증기는 물의 기체상이며, 실온에서의 물은 액체상이다. 또한, 고체가 용융하거나 기체가 응결하는 등의 변화를 상 변화라고 한다. 나프탈렌이나 장뇌는 가열하면 액체가 되지 않고 직접 고체에서 기체로 된다. 또, 기체가 액체로 되지 않고, 직접 고체로 되는 것도 있다. 이러한 현상을 어느 쪽이나 '승화'라고 한다. 승화의 예로는 이들 외에 아이오딘이 잘 알려져 있으며, 물에도 승화하는 성질이 있다. 0℃ 이하의 기온이 계속될 때 쌓인 눈이 녹지 않으면서도 줄어드는 것은 승화에 의한 것이다. 그런데 얼음을 가열하면 0℃에서 녹아 물이 되고, 더욱 가열하면 1 기압 하에서는 100℃에서 끓어서 수증기가 된다. 이와 같이 물질 중에는 고체가 액체로 되는 온도와 액체가 1 기압 하에서 기체로 되는 온도가 분명히 정해져 있는 것이 많다. 이 온도를 각각 녹는점(melting point), 끓는점(boiling point)이라고 한다. 반대로 기체가 액체로 변하는 온도를 액화 온도, 액체가 고체로 변하는 온도를 어는점(freezing point)이라고 한다. 녹는점과 어는점, 끓는점과 액화온도는 각각 같은데, 이 온도를 경계로 하여 상태가 변하는 것이다. 1 기압 하에서 승화하는 온도는 '승화점'이라고 불린다.

끓는점에 대하여 예를 들어 다음과 같이 설명할 수 있다.

대기압(1 기압) 상태에서 물을 가열하여 서서히 온도를 높이게 되면 물 내부에서는 기포가 생성되고, 그 기포 안에는 수많은 기체분자들이 운동을 하고 있으며 그로 인하여 그 기체들의 압력이 형성 된다는 것을 기체분자 운동론으로부터 알 수 있다. 그러나 이 기포 안의 기체압력이 대기압보다 작을 때는 내부에서 생성된 기포들은 터지게 되므로 기포 안의 기체압력이 대기압보다 낮을 때는 기포가 생기지 않는다. 계속해서 온도를 올리게 되면 역시 기포가 생기는데 이때의 기포 안의 기체분자들의 운동은 처음보다 더욱 빨라지게 되고 기포 안의 기체압력은 높아지게 된다. 이렇게 계속 온도를 올리게 되면 기포 안의 기체압력이 대기압과 같이 되었을 때부터 기포는 터지지 않고 표면으로 올라와 기포내의 기체는 물 밖으로 나와 물 밖에서 압력을 형성하게 되며 이 압력이 바로 그 온도에서의 증기압력이 된다. 이와 같이 증기압력이 대기압과 같아져서 물 내부에서도 기화가 일어날 때의 온도를 끓는점(boiling point)이라고 한다.

   

3. 상평형 그림(phase equilibrium diagram)

열린 계에서는 물이 계속 증발하여 물이 다 없어질 때까지 변화가 계속되지만, 닫힌 계에서는 얼

마 후 증발을 멈추고, 일정 온도 아래에서는 그 이상 상태의 변화가 일어나지 않는다. 이때, 물과 수증기의 계는 평형 상태에 있다고 하고. 이와 같이 평형 상태에 있는 증기를 포화 증기, 그 압력을 포화 증기압이라고 한다. 여기서 온도를 높이면 물은 수증기로 변하고 수증기의 양이 증가하여 그 압력이 증가한다. 반대로 온도를 내리면 수증기는 물로 변하고, 수증기의 양이 감소하여 그 압력도 감소한다. 또, 얼음이 승화하여 수증기로 되거나 수증기가 승화하여 얼음이 될 때도 얼음과 수증기 사이에는 위와 같은 관계가 성립된다. 또한, 얼음과 물은 0 ℃에서 함께 존재할 수 있는데, 그 이하의 온도에서도 압력을 낮추면 얼음이 약간 녹아서 액체인 물이 된다는 사실도 알려져 있다. 즉, 얼음과 물이 함께 존재하는 온도도 압력에 따라 달라진다. 따라서, 물의 응고점(어는점)인 0 ℃나 끓는점인 100 ℃는 모두 1 기압에서의 온도이고, 압력이 증가하면 응고점은 내려가고 끓는점은 올라간다. 이와 같은 상태의 변화와 온도나 압력과의 관계를 알아보기 위해 세로축에 압력, 가로축에 온도를 나타내는 그래프를 그리면 그림과 같이 된다. 이 그래프를 상 평형 그림이라고 한다.

상평형 그림이란 특정 온도와 기압 등의 세기변수 하에서 물질의 상 사이의 평형상태를 나타낸 도표로 특정한 상태에서 물질이 어떤 상을 가지게 되는지를 나타낸다. 주로 증기 압력 곡선, 승화 곡선, 융해 곡선의 세 곡선으로 이루어져있으며 그 물질의 삼중점과 임계점이 나타나있다. 상평형 그림의 세로축은 포화 증기압 또는 동적 평형 상태 에서의 증기압을, 가로축은 온도를 나타내게 된다.

다음의 그림은 일반적인 상평형 그림으로 붉은 선은 승화 곡선, 파란 선은 증기 압력 곡선, 녹색 실선은 일반적인 형태의 융해 곡선을 나타낸다. 녹색 점선은 물의 융해 곡선이다.

 

 

그림에서 AT는 얼음과 수증기가 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타내고 BT는 물과 얼음이 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타낸다. 또 CT는 물과 수증기가 함께 존재할 수 있는 온도를 나타낸다. T점의 압력과 온도에서는 얼음과 물과 수증기가 동시에 안정하게 존재할 수 있으므로 이것을 '삼중점'이라고 한다. 삼중점의 압력은 수증기압으로 4.58mmHg(높이 4.58mm의 수은주가 나타내는 압력) 온도는 0.0075℃이다. 이 그래프는 얼음·물·수증기 사이의 평형을 나타내고 있으므로 공기는 고려하지 않은 것이다. 보통 물의 응고점은 760mmHg의 대기압 아래에서 0℃이므로, 삼중점의 값과는 좀 다르다. 또, 물을 서서히 냉각시키면 삼중점 이하로 내려가도 얼음이 되지 않고 액체 상태를 얼마 동안 유지한다. 이것을 과냉각 상태라고 하는데, 이 상태는 안정된 상태가 아니며, 휘젓거나 작은 얼음덩어리를 넣으면 금방 전체가 얼고 만다. 물뿐만 아니라 3가지 상태를 분명히 나타내는 물질에 대해서는 이러한 상평형 그림을 각각 그릴 수가 있다

   

1) 증기 압력 곡선

증기 압력 곡선이란 일정 온도에서 액체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 동적 평형 상태에서의 증기

압과 외부 압력(대기압)이 같을 때 액체가 끓기 때문에 특정 압력에서의 물체의 끓는점을 나타내

기도 한다. 증기 압력 곡선 위의 어느 한 점에 해당하는 온도, 기압 하에서 그 물질은 액체와 기

가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에는 상한이 있으며, 이 점을 임계점 이라 한다.

   

2) 융해 곡선

융해 곡선은 특정 기압에서 물체의 녹는점을 표시한 그래프이다. 융해 곡선 위의 어느 한 점에서

물질의 상은 고체와 액체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에서는 상한점이 발견되었지만, 융해곡

선에도 상한이 있는가는 아직 밝혀지지 않았다. 일반적으로 압력이 높아질수록 녹는점은 높아지게

된다. 즉, 융해 곡선은 양의 기울기를 가진 곡선이다. 하지만 예외적으로 물의 융해 곡선은 음의

기울기를 가진다.

3) 승화 곡선

일정 온도에서 고체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 삼중점 이하에서만 존재한다. 액체의 증기 압력

곡선과 마찬가지로 고체의 증기압과 외부 압력이 같은 온도가 고체의 승화점이기 때문에 특정 기

압에서의 승화점을 나타내기도 한다.

   

4) 상평형 그림에서의 구획

융해곡선과 승화곡선의 사이에서 물질은 고체로 존재하게 되며, 융해곡선과 증기 압력 곡선 사이

에서 물체는 액체로 존재하게 된다. 마찬가지로 승화곡선과 증기 압력 곡선의 사이에서 물체는 기

체의 상을 가지게 된다. 각 곡선은 구획 간의 점이 지대로써 두 상이 공존하게 된다.

   

5) 삼중점(triple point)

삼중점이란 증기 압력 곡선, 융해 곡선, 승화 곡선이 만나는 지점으로, 삼중점에서 물질은 고체,

액체, 기체의 상을 모두 가지게 된다. 승화곡선은 삼중점 이하에 존재하므로, 삼중점보다 낮은 압

력에서 물질은 과냉각 상태일 때를 제외하고 액체의 상을 가질 수 없다.

   

6) 임계점(critical point)

임계점이란 증기 압력곡선의 상한 점을 나타낸다. 임계점 이상에서 증기 압력 곡선은 더 이상 그

려질 수 없으며, 물질은 액체인지 기체인지 구별이 모호한 상태가 되게 된다. 임계점 이상에서의

물질, 즉 초임계 유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 가지는 유체이며, 중금속을 녹이기도

한다.

   

4. 임계 온도와 임계 압력

액체인 물은 1기압 100℃에서 수증기로 변한다. 따라서 1기압하에서는 100℃ 이상의 온도에서 액체인 물은 존재하지 않는다. 100℃ 이상의 온도에서 물을 액체 상태 그대로 유지하려면 압력을 가할 필요가 있다. 압력을 가해서 218.3기압이 되면 물의 끓는점은 374.2℃가 된다. 그러나 그 이상의 온도가 되면 압력을 계속 가해도 물은 더 이상 액체 상태를 유지하지 못한다. 이 온도를 물의 임계 온도라 하고, 이때의 압력을 임계 압력이라고 한다. 공기는 1기압에서는 아무리 온도를 내려도 액체가 되지 않는다. 온도를 -140.7℃로 내리고 37.2기압보다 큰 압력을 가하면 비로소 액체가 된다. 즉, 공기의 임계 온도는 140.7℃이고, 임계 압력은 37.2기압이다. 이 이하의 온도에서는 더 낮은 압력을 가해도 액체가 된다.

   

5. 상태의 변화와 에너지

얼음을 녹이려면 열을 가해서 온도를 높여야 하고, 물을 얼리려면 열을 빼앗아 온도를 내려야 한다. 이와 같은 상태의 변화와 열의 출입 관계를 알아보기로 하자.

1) 흡열 변화와 발열 변화

얼음을 물로 변하게 하거나 물을 얼음으로 변하게 하는 경우와 같이, 고체―→액체―→기체의 변화는 열을 흡수하는 변화, 즉 흡열 변화(吸熱變化)이다. 이때 흡수되는 열은 물질의 내부에 에너지로서 저장된다. 이와는 반대로, 수증기를 물로 바꾸거나 물을 얼음으로 바꾸는 경우와 같이, 기체―→액체―→고체의 변화는 열을 방출하는 변화, 즉 발열 변화(發熱變化)이다. 이때 방출되는 열은 물질이 내부 에너지로서 가지고 있던 것의 일부이다. 이와 같이 상태의 변화에는 열의 출입 또는 물질의 내부 에너지의 증감이 수반됩니다.

2) 잠열(숨은열, latent heat)

물질이 온도·압력의 변화를 보이지 않고 평형을 유지하면서 한 상에서 다른 상으로 전이할 때 흡

수 또는 발생하는 열이다. 그 종류에는 융해열, 증발열(기화열), 승화열 등이 있다. 숨은열을 이용

하여 실생활에 적용한 기계로는 냉동기가 있다.

예를 들어 물을 가열하면 100 ℃에서 끓기 시작하는데, 그 이상 아무리 가열해도 완전한 수증기

가 될 때까지 100 ℃를 넘지 않는다. 또 얼음을 가열해도 완전히 녹을 때까지는 0 ℃ 이상이 되

않는다. 이와 같이 비등중인 물이나 융해중인 얼음에 가해진 숨은열은 물(액체)을 수증기(기체)로

바꾸고, 얼음(고체)을 물(액체)로 바꾸기 위해서만 소비되며, 온도를 상승시키지는 않는다. 반대로

수증기가 응축하여 물이 되는 경우나 물이 빙결(氷結)할 때는 그 열을 외부로 방출한다.

이와 같이 상태변화를 일으킬 때 흡수되고 방출되는 열을 숨은 열 또는 잠열(latent heat) 이라고

한다. 숨은열은 물질의 상태변화에 따른 내부에너지 변화에 기인하는 것으로 이는 분자간 결합력

에 변화를 일으켜 물질의 응집상태를 본질적으로 변화시키는 것으로 알려져 있다. 즉, 기화는 분

자의 운동에너지가 증가하여 액체분자가 가지고 있던 본래의 위치에너지보다 커지는 현상이고, 융

해는 분자의 운동에너지 증가로 인해 고체에 특유한 결정구조가 흐트러지는 현상으로서 이 때문에

소모되는 열에너지가 숨은열 또는 잠열(latent heat)이다.

일반적으로 고체에서 액체로 변할 때 주위로부터 빼앗은 숨은열을 융해열이라 하고, 액체를 기체

로 바꾸기 위해 필요한 숨은열을 증발열이라 하며, 각각 1g의 물질을 바꾸는 데 필요한 열량(칼로

리)으로 크기를 나타낸다. 그 값은 물질의 종류 및 기화(융해)가 일어나는 온도에 따라 다르다.

물질의 상태변화와 더불어 숨은열의 출입이 있다는 사실은 일상생활에서도 중요한 현상이다. 여름

에 땅에 물을 뿌리면 시원하게 느껴지는 것은, 물이 증발할 때 주위에서 숨은열(기화열)을 빼앗기

때문이다. 냉동기는 이 효과를 적극적으로 이용한 것으로, 액화한 기체를 기화기로 기화시켜, 주

위로부터 기화열을 빼앗아 냉각한다.

얼음과 물이 섞여 있는 것을 가열해도, 2 가지가 함께 존재하는 동안에는 그 온도는 O ℃를 유지

한다. 이것은 외부에서 가해진 열이 온도를 변화시키는 데에 사용되지 않고 고체―→액체라는 상

변화를 위해 사용되기 때문이다, 이와 같이 온도를 변화시키지 않고 단지 상태의 변화를 위해 사

용되는 열을 잠열(숨은열, latent heat)이라고 한다. 용융 때의 잠열(latent heat)은 용융열(또는 융

해열)이라고 한다. 물을 가열하면 온도가 점점 올라가서 1기압에서 100℃가 되면 물의 표면뿐만

아니라 내부에서도 수증기로 변하여 거품이 많이 나온다. 이것이 끓음(또는 비등)의 현상이다. 끓

음이 계속되는 동안 온도는 100 ℃로 유지된다. 이 경우도 외부로부터 가해진 열은 온도는 변화

시키지 않고 액체―→기체의 상 변화를 위해 사용되고 있다. 이와 같은 기체의 잠열(latent heat)을

기화열(또는 증발열)이라고 한다. 0℃에서 얼음 1몰을 완전히 용융시키려면 1.44 kcal의 열량을 가

해 주어야 하는데, 이것을 얼음의 몰 용융열(또는 몰 융해열)이라고 한다. 또, 100 ℃에서 물 1몰

을 완전히 기화시키려면 9.72 kcal의 열량을 가해 주어야 하는데, 이것을 물의 몰 기화열(또는 몰

증발열)이라고 한다. 이와 반대로 수증기가 물로, 다시 물이 얼음으로 바뀔 때는 기화열 또는 용

융열과 같은 양의 열이 방출된다. 즉 1몰의 수증기가 물로 변할 때 방출되는 몰 서림열(또는 몰

응결열)은 몰 기화열과 같고 1몰의 물이 얼음으로 변할 때 방출되는 열인 몰 응고열은 몰 용융열

과 그 크기가 같다. 또, 승화 때의 잠열(latent heat)은 승화열이라고 한다.

   

6. 물질의 구성 입자

물질을 구성하고 있는 입자에는 원자·분자·이온 등이 있다. 원자는 처음에는 물질을 구성하는 가장 작은 입자로 생각되었지만, 현재 원자는 그보다 작은 기본입자라고 불리는 여러 가지 입자로 구성되어 있다는 것이 알려져 있다. 이온은 원자가 (+)나 (-)의 전기를 띤 것이다. 분자는 기체에서 흔히 볼 수 있듯이, 2개 이상의 원자가 결합하여 한 쌍이 되어 행동하는 것을 말한다.

   

3가지 상태의 변화와 입자

물질의 화학적 성질이나 화학 변화의 구조를 알아보기 위해서는 원자·분자·이온 등에 대해서 잘 알고 있어야 한다. 그러나 3가지 상태의 변화는 이들을 단순히 입자로서 다루어도 그 대강은 이해할 수 있다. 그러므로 원자·분자·이온에 대한 자세한 설명은 뒤로 미루기로 하고, 여기서는 3가지 상태의 변화를 입자의 행동에 입각해서 다시 살펴보기로 한다. 고체 속에서 입자는 규칙적으로 배열되어 조금밖에 움직일 수 없지만, 가열하면 그 에너지를 흡수하여 차차 활발한 운동을 하게 된다. 녹는점에서 입자는 규칙적인 배열을 무너뜨리고 자유롭게 운동하게 되지만, 이를 위해 에너지가 필요하며, 모든 입자가 자유롭게 움직이게 될 때까지 온도는 올라가지 않는다. 액체가 되면 온도가 다시 올라가서 입자는 점점 활발하게 운동하고, 일부는 액체 표면으로부터 공중으로 뛰쳐 나간다. 끊는점에 이르면 입자는 서로 완전히 자유롭게 되고, 액체의 내부에서도 기체 형태(거품)가 되어 액체 표면으로부터 뛰쳐 나간다. 액체인 동안은 아직 입자가 서로 끌어당기고 있지만, 여기서 완전히 떨어지기 위해 에너지가 사용되며, 액체가 남아 있는 동안에는 온도는 변하지 않는다.

   

   

참고자료

   

물질의 상변화

우리 주위의 물질은 4가지 상태로 존재한다. 전통적으로 물질은 고체, 액체, 기체의 3가지 상태로 구분되어 왔지만 근래에는 물질의 제4의 상태로 플라즈마(plasma, 플라스마)가 추가되었다. 물질은 한 가지 상에서 다른 상으로 바뀔 수 있으며 열이 이 변화를 주도한다. 물질의 상태는 어떻게 구분되며, 물질은 어떻게 그 상태를 바꾸는 것인지 알아보기로 한다.

1. 물질의 4가지 상 – 고체, 액체, 기체, 플라즈마

물질은 상에 따라 겉보기 성질이 전혀 다르다. 예를 들어, 고체는 일정한 모양과 부피를 가져서 외부에서 힘이나 압력을 가해도 쉽게 그 모양이 변하지 않는 특징이 있다. 액체는 부피는 일정하나, 담는 용기에 따라서 모양이 자유롭게 변한다는 점에서 고체와 구별된다.

다음 그림에서 보는 바와 같이 고체 상태에서 원자들은 질서 있게 배열하여 규칙적인 결정을 이루며, 액체를 액체를 이루는 물 분자들은 이웃분자에 속박되지 않고 자유롭게 움직일 수 있어서 액체는 담는 그릇에 따라 모양이 바뀐다.

 

 

기체는 일정한 모양과 부피를 갖지 않으며 어떤 형태의 그릇에도 들어가고 확산을 통해서 공간을 가득 채운다. 기체는 압력을 가하면 쉽게 압축된다는 점에서 액체와 구별된다. 액체는 힘이나 압력을 가해도 거의 부피가 변하지 않는다. 예를 들어, 물은 압력을 1 기압 증가시킬 때 부피는 약 2만 분의 1 밖에 줄어들지 않는데, 이 양은 온도 1 ℃ 증가할 때의 부피변화의 약 1/10에 불과하다.

플라즈마는 높은 온도에서 고도로 이온화된 기체로, 이온화된 원자나 분자 그리고 같은 수의 전자로 이루어지며 전체적으로 중성상태이다. 플라즈마는 전기의 부도체인 보통의 기체와 달리 전기를 잘 전도시키고 어떤 종류의 복사도 잘 흡수한다는 점에서 기체와 구별된다. 플라즈마는 지구에서는 번개나 오로라 등에서 볼 수 있는 비교적 드문 상태이지만 우주에서는 가장 흔한 상태이다. 태양과 별, 그리고 발광성운은 플라즈마 상태다.

다음 그림들은 기체분자들이 활발하게 움직이고 있다는 것을 연기입자들의 움직임을 통해서 알 수 있고, 플라즈마의 좋은 사례인 번개를 보여주고 있다. 번개 칠 때 플라즈마의 온도는 최대 28,000 K 까지 올라간다.

 

   

   

2. 물질의 상에 따라 성질이 달라지는 이유는?

상에 따라 물질의 성질이 달라지는 이유는 무엇일까? 물질을 구성하는 분자들의 배열과 거리가 달라지기 때문이다. 고체나 액체 상에서는 물질을 구성하는 분자들 사이의 거리가 가까운 반면 기체나 플라즈마 상에서는 상당한 거리로 떨어져 있다.

1) 고체와 액체의 차이는 무엇일까?

고체는 이웃하는 분자들의 배치가 고정되는 반면에 액체는 유동적이라는 점이 다르다. 고체 상

태에서는 이웃하는 분자들의 배열이 규칙적이어서 분자들의 운동이 제한적인데 비해 액체 상태

에서는 분자들의 배열이 불규칙적이어서 분자 상호간의 결합력이 약하여 분자들이 비교적 자유

로이 움직일 수 있기 때문이다.

2) 기체와 액체의 차이는 무엇일까?

기체와 액체는 구성분자들이 유동적으로 움직인다는 점은 비슷하지만(이들은 함께 유체로 분류

된다), 분자들 사이의 거리에 있어서 뚜렷한 차이가 있다. 액체 상태에서는 서로 가까이 접촉하고 있는 반면, 기체 상태에서는 서로 간에 상당한 거리로 떨어져 있다. 이 때문에 기체는 압력을 가하면 부피가 쉽게 변한다.

3) 기체와 플라즈마의 차이는 무엇일까?

구성 분자들이 상당한 거리로 떨어져 있는 점은 비슷하지만 기체 분자들 사이에는 상호작용이 미약하여 다른 분자의 운동에 거의 영향을 미치지 않는 반면, 플라스마 상태에서는 이온들 간의 인력과 척력에 의한 상호작용을 한다는 점에서 다르다. 플라즈마는 전기장과 자기장으로 움직여지고 모양과 배열형태도 변화시킬 수 있다.

   

3. 온도에 따라 물질의 상태는 변한다.

자연계의 물질은 어느 한 가지 상에 머물러 있지 않고 조건에 따라 그 모습을 바꾼다. 물질의 상을 바꾸는 한 가지 방법은 열(에너지)을 더하거나 빼는 것이다. 예를 들어 물(액체)을 가열하면 수증기(기체)가 되고, 냉각시키면 얼음(고체)이 된다. 대부분의 물질은 고온에서는 기체가 되고, 저온에서는 고체가 된다. 그리고 그 중간 온도에서 액체 상태를 취한다.

이와 같이 물질의 상태가 바뀌는 것을 상전이(phase transition) 또는 상변화라 부른다. 상전이가 일어나면 물질의 어떤 물리적 성질이 갑자기 변하게 된다. 예를 들어 액체를 계속 가열하면 어떤 온도에서 더 이상 온도가 증가하지 않고 갑자기 부피가 크게 증가한다.

다음 그림들은 상온에서 급속히 녹고 있는 아르곤 얼음 조각. 순식간에 고체에서 액체를 거쳐 기체로 변하고 있는 상변화 상태와 온도에 따른 물질의 상변화를 보여주고 있다.

 

 

위 그림은 물질의 상들 사이에 일어날 수 있는 상변화를 도식화하여 나타낸 것이다. 고체는 열이 가해지면 액체가 되고(융해, melting), 액체는 열이 빠져나가면서 고체로 바뀐다(응고, freezing). 액체는 열이 공급되면 기체가 되고(기화, vaporization), 기체는 열을 잃으면 액체가 된다(액화, condensation). 때로는 고체가 액체를 거치지 않고 직접 기체로 바뀌거나(승화, sublimation), 반대로 기체가 고체로 바뀔 수도 있다(증착, deposition). 승화의 예로는 눈이 물기를 전혀 남기지 않고 희박한 공기 중으로 사라지는 현상이나 드라이아이스나 나프탈렌이 상온에서 크기가 작아지는 현상을 들 수 있다. 기체를 높은 온도로 가열하면 고온에서 전자가 분리되어 플라즈마가 되고(이온화, ionization), 온도가 내려가면 플라즈마는 다시 중성상태의 기체가 된다(재결합, recombination).

   

4. 상변화를 이해하는데 유용한 상도표

온도 외에 상변화에 영향을 주는 요인은 압력(Pressure)이다. 따라서 온도와 압력을 두 축으로 하여 나타낸 상도표는 상전이를 이해하는데 매우 유용하다. 그림은 전형적인 상도표를 나타낸 것인데 상도표상의 한 점은 물질이 그 점에 해당하는 압력과 온도에 의해 결정된 상태에 있음을 나타낸다. 그림에 보이는 세 개의 곡선은 고체, 액체, 기체 상태간의 경계를 나타낸다. 각각 융해곡선(녹색), 증기압곡선(청색), 승화곡선(적색)이라고 한다. 그리고 녹색 점선은 물의 융해곡선이다.

대부분의 온도에서 특정한 두 가지 상태가 평형을 이루며 공존하는 압력이 존재한다. 하나의 예외는 고체, 액체, 그리고 증기의 3가지 상태가 평형을 이루며 공존하는 삼중점(triple point)이다. 물의 삼중점은 정확하게 0.006기압에서 0.01˚C이다. 이 삼중점은 온도계를 세밀하게 보정할 때 사용되는 온도계의 기준점이다. 삼중점의 아래 쪽에 고체와 기체의 경계를 이루는 승화곡선을 볼 수 있다. 이를 따라 고체 상태에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체 상태로 변환하는 승화현상이 나타난다.

삼중점 위에 액체와 기체의 경계를 이루는 선이 증기압 곡선이다. 압력이 낮아짐에 따라 끓는점도 낮아지는 것을 보여준다. 예를 들어 대기압이 낮은 높은 산 위에선 물은 100 °C 보다 낮은 온도에서 끓게 된다. 증기압 곡선은 임계점(critical point)에서 끝난다. 임계온도보다 높은 온도나 압력에서는 액체와 기체의 구분이 사라진다. 즉, 액체 상태와 기체 상태를 구분하는 것이 불가능하다. 물의 융해곡선이 음의 기울기를 갖는 것이 특이한데, 얼면서 부피가 증가하기 때문이다. 물처럼 액체상태일 때 분자간의 거리가 고체 상태일 때보다 더 가까운 경우, 융해곡선이 음의 기울기를 가진다.

   

잠열(latent heat)

대부분의 물질은 열을 흡수하면 온도가 변한다. 하지만 상변화가 일어날 때는 그렇지 않다. 많은 열이 흘러들어와도 온도가 변하지 않는다. 예를 들어 따뜻한 실내에서 얼음조각이 떠 있는 물컵 속의 물의 온도는 0 ℃ 에서 높아지지 않는다. 물을 끓일 때도 위와 비슷한 현상이 나타난다. 물을 데우면서 온도를 측정해보면 온도가 계속 올라가다가 100 ℃가 되면 계속 가열하는 데도 더 이상 물의 온도가 올라가지 않는 현상이 나타난다.

 

   

1. 상변화가 일어나는 동안 온도변화는 없다.

상변화가 일어나는 동안 왜 온도가 변하지 않는 것일까? 얼음이 녹는 경우를 예로 들어 보자. 얼음은 녹는점 이상에서 존재할 수 없으므로 얼음 주위의 물이 녹는점 이상으로 가열되면 물은 그 열을 남아 있는 얼음에 전달한다. 이러한 현상은 얼음이 모두 없어질 때까지 계속된다. 얼음이 모두 녹고 나면 물의 온도가 올라가기 시작한다. 이것은 물이 끓을 때에도 마찬가지이다.

상변화 과정이 일어나는 동안에는 가해진 열은 물질의 상변화에 쓰이게 된다. 상변화 현상은 상변화가 끝날 때까지 일시적으로 온도변화가 일어나지 못하게 함으로써 온도를 안정시키는 효과가 있다. 상변화 과정은 일종의 냉각과정으로 볼 수도 있다. 상변화가 일어나는 동안에는 일시적으로 두 가지 이상의 상이 공존한다.

   

2. 상변화에는 숨은열이 필요하다.

물질의 상변화에는 열(에너지)이 필요하다. 이 열을 숨은열(잠열, latent heat)이라 한다. 여기서 숨었다는 표현을 사용하는 이유는 상변화가 일어나는 동안 온도의 변화가 없는 것과 관련이 있다.

예를 들어 얼음이 녹아서 물이 되는 데 숨은열이 필요하다. 사실 얼음뿐만 아니라 모든 고체는 녹아서 액체가 되는데 일정한 양의 열이 필요한데 이 열을 융해열이라 한다. 물이 끓어서 수증기가 되는데도 숨은열이 필요하다. 물 뿐만 아니라 다른 액체도 기체로 바뀌려면 열을 흡수해야 한다. 이 열이 기화열이다. 얼음이 수증기로 바뀌는 승화에는 승화열이 필요하다. 숨은열은 상당히 크다. 물의 경우를 예를 들어 보면, 1 g 의 얼음이 녹는 데는 약 80 cal 의 융해열이 필요하고 1 g의 물이 기화하는데 539 cal의 기화열이 필요하다. 승화열은 '융해열 더하기 기화열'이 아니다. 얼음 1 g 의 승화열은 0 ℃ 에서 680 cal 로, 둘을 합친 것보다 더 크다.

   

3. 숨은 열의 정체는 분자의 위치에너지 변화

상변화가 일어나는 동안 어떤 일이 일어날까? 이를 알기 위해서는 분자 수준에서 물체를 관찰해야 한다. 물질의 상태가 달라지면 물질을 구성하는 분자 또는 원자 간의 결합상태나 거리가 달라진다. 물체가 고체 상태에 있을 경우 물질을 구성하는 원자 또는 분자들은 평형점 주변에 고정되어 있다. 이런 결합을 풀어서 고체를 액체 상태로 전환하려면 에너지를 공급해 주어야 한다. 이 결합을 깨뜨리는 데 열(에너지)이 필요하기 때문이다. 또 물질을 액체에서 기체 상태로 변화시키기 위해서는 원자나 분자 사이의 결합을 끊어서 떨어뜨려야 한다. 이와 같은 상변화 과정에서는 분자의 운동에너지는 변하지 않고 위치에너지만 변하므로 온도가 변하지 않는다. 그 대신에 분자들을 붙들고 있는 힘에 대해서 일을 했으므로 분자의 위치에너지가 증가하게 된다.

고체 상태에서는 분자나 원자 간의 거리가 가깝고 이웃하는 분자나 원자와 강하게 연결되어 있다. 하지만 액체 상태에서는 이웃 분자나 원자와의 결합이 깨어진다. 이것은 액체에서 기체로 상이 바뀔 때도 마찬가지이다. 액체가 기체로 바뀌기 위해서는 분자들 사이의 거리가 많이 떨어져야 하는데 이때 분자들의 인력을 이겨내기 위해서 많은 양의 에너지가 필요하다. 수증기와 같은 기체분자들은 액체분자들과 같이 속박되어 있지 않고 더 자유로운 상태에 있다. 100 ℃ 의 물과 100 ℃ 의 수증기는 전혀 다른 에너지를 갖고 있다. 이 때문에 물이 수증기로 변할 때는 많은 열이 필요하다.

   

4. 숨은열은 일상에서 흔히 이용된다.

과수원의 농부들은 때때로 숨은열을 이용한다. 늦은 봄이나 이른 가을에 한파가 밀려와 밤사이에 기온이 영하로 떨어져 심한 냉해를 입을 것이 예상될 때 농부들은 일부러 과수원의 과실나무에 물을 뿌려준다. 이는 꽃이나 과실이 어는 것을 방지하기 위한 것이다. 나무에 뿌려진 물은 얼 때 많은 양의 열을 방출하여 나무의 온도가 0℃ 이하로 떨어지는 것을 막아준다. 또 0℃ 이하로 떨어진다고 해도 뿌려진 물이 꽃이나 과실 표면에 얇게 얼어서 농작물을 보호하는 역할을 한다. 물과 얼음은 열전도도가 낮아서 농작물의 표면의 얼음이 농작물로부터의 열손실을 줄이는 단열재 역할을 하여 농작물을 보호할 수 있기 때문이다.

첨단 기술에서 숨은열이 응용되는 대표적 사례가 기능성 섬유이다. 이런 기능성 섬유는 상변환재료(PCM, phase-change material)라는 물질이 들어 있는 초미세 내열 플라스틱 구를 섬유에 첨가한 것이다.

 

이 섬유로 운동복을 만들면, 운동 중에는 PCM이 녹으면서 몸에서 발생한 열을 흡수하여주고 운동을 하지 않을 때는 PCM이 굳어지면서 열을 방출하여 몸을 따뜻하게 유지해준다. 이 기술은 우주복에 쓰려고 개발된 것으로, 우주 기술이 생활에 응용되는 사례로도 알려져 있다. PCM이 안락하게 유지해 줄 수 있는 온도범위는 녹는점과 어는점과 관련이 있는데 이는 화학성분에 의해서 결정된다.

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